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来源公众号：生物学通报 作者：孙雨傲等
摘要：以工程学设计中产品的“生产过程、使用效果、长期影响”3个阶段中的“可控、智能、灵敏、精准、安全”5个主要目标为线索，对高中生物学工程学类问题进行了系统的分类整理，解析同一目标在特定实践场景中的不同实现路径，从而培养学生以比较权衡为核心的筹划性思维和价值定向的工程学思维。在比较权衡中，学生需要充分调动分析与综合、模型与建模、创造性思维、批判性思维等多种科学思维方式，增强解决真实问题的能力。在价值定向中，教师既需要让学生看到工程成果带来的积极影响，又需要引导学生认识到工程存在的不足，如安全性问题等，使学生具备关爱生命、造福人类的社会责任，从而服务于“生命观念”的深化与“科学思维”的升华。
高中生物学中“工程思维”的培养是高中生物学选择性必修3《生物技术与工程》教学中的重要环节。根据《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中“生物技术与工程”模块学业要求，需要学生能够“针对人类生产或生活的某一需求，在发酵工程、细胞工程和基因工程中选取恰当的技术和方法，尝试提出初步的工程学构想，进行简单的设计和制作”。工程思维与科学思维都是思维素养的重要组成部分。其中，科学思维主要来自日常生活、自然现象或实验现象，遵循“提出问题-作出假设-验证-再假设-再验证”的思维路径，需要学生运用演绎与推理、抽象与概括等思维方式，最终实现阐释现象、总结规律等目的；而工程思维主要源于生产实践中的需求或问题，在综合分析的基础上设计方案，经过“实施-优化-再实施”，直至获得理想的产品或提高生产效益。在面对工程学问题时，学生需要在扎实的理论基础上运用系统分析的方法，针对问题进行要素分析和整体规划，对各个生产环节进行统筹、协调；在比较和选择具体方案、技术和方法时，需要以实际的生产及降低成本的需求为导向，培养以比较权衡为核心的筹划性思维。最后，作为一名合格的“工程师”，还需要将生产实践与“社会-经济-自然”复合系统相结合，进行风险评估和综合决策，实现社会效益、经济效益和生态效益的同步发展。然而，高中阶段的学习以理论知识为主，学生缺乏实际的生产实践经验，在面对综合性较强的工程学问题时往往抓不住要点，找不到解决问题的突破口。本文以生物技术实践中工程学设计的目标——“可控与智能（生产过程）、灵敏与精准（使用效果）、安全（长期影响）”为核心，精选等级考和模拟题中的经典案例，分析此类问题的解决策略。
1 产品的生产过程
1.1 可控
在生产过程中，需要保证生产系统具备管理并调节生产过程、速率或参数的功能（即可控性），以实现生产计划制订、生产过程监控及故障排除，保证生产效率达到预期。在发酵工程中常用光和温度作为调节信号，保证生产过程的准确调节。
1.1.1 利用光敏蛋白实现光控
例1（2023年北京市西城区一模）：酵母菌生产人β防御素时，由于人β防御素积累会损伤工程菌，因此需要构建生产环节可控的发酵系统，保证菌体生长到一定的密度后再进行发酵生产。可选择光敏蛋白接收红光信号，当生产者检测到菌体密度达标后开启红光，激活β防御素生产相关基因的表达，从而解决生长和生产的矛盾。
结合下文例11中的情境，生产者利用2种波长的光敏蛋白实现了β防御素有序、可控的生产：1）黑暗条件培养工程菌至种群数量最适。2）红光照射至人β防御素达到适宜浓度。3）蓝光照射至工程菌沉淀，回收上清液中的发酵产物。4）红光和蓝光同时照射，杀死工程菌。该生产过程的激发模式也巧妙避免了光敏蛋白本身性质导致的激活波长的交叉重叠问题（短波长的蓝光也会小程度激活红光敏感蛋白），即先蓝光后红光，会使菌体在生产阶段提前沉淀，同时部分激活致死基因的表达，导致生产效率降低。因此，工程思维中的整体规划思想对生产环节的合理布设十分重要。
1.1.2 利用温敏蛋白实现温控
例2（2024年北京市海淀区一模）：聚羟基脂肪酸酯（PHA）常用于制备可降解的塑料包装材料。PHA是由单体3HB和4HB随机聚合的一种生物大分子，或通过分段聚合形成嵌段共聚物，其中嵌段共聚物性能更优。共聚物的合成过程如图1所示。请完善表1，通过改造如图2所示的方案以应用工程菌大规模生产优质PHA（不考虑各种酶在不同温度下的活性差异）。
本情境是温敏蛋白C分别在30和37℃的可逆构象改变下实现温度信号响应的生产应用实例。需要将用于系统测试的RFP基因和GFP基因分别替换成D、E酶和A、B酶基因用于催化4HB和3HB合成，2种物质掺入的量可以通过2种温度的切换控制2种反应时间，如在48h的生产时间里，30℃发酵12h，随后切换至37℃发酵36h，保证获得符合要求的25%3HB的嵌段共聚物。由于借助L蛋白实现的正反馈调节系统，该反应体系可以保证在不同温度下不同物质的精准合成。相较于高分子聚合物的化学合成法需要高温等条件，该方法采用的微生物发酵工程常温下即可反应，且原料仅为糖类，因此符合生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉的特点。
1.2 智能
利用光、温度等信号可及时应对外界变化，调控生产环节。但通过对系统的精巧设计可实现生产环节调控、患者给药等过程的自动化，即智能目标。
1.2.1 利用群体感应系统实现生长环节和生产环节的自动化调节
智能工程菌群体感应（quorum sensing）是细菌通过基因表达调控响应菌体密度变化的一种细胞间的通讯方式。该感应过程依赖于菌体分泌的信号分子的浓度，高菌体密度下，信号分子的局部浓度会超过阈值水平并触发基因表达变化。工程学设计中，可以利用群体感应的原理对工程菌进行转基因操作，巧妙解决生长和生产的矛盾。
例3（2024年北京市朝阳区一模）：法尼烯是喷气燃料的替代品。酿酒酵母可利用F酶将法尼基焦磷酸（FPP）合成为法尼烯，E酶会与F酶竞争FPP催化合成麦角固醇，麦角固醇过少时严重影响菌体数量增加。研究者将群体密度感应系统和蛋白降解系统整合，使工程酵母菌生长到一定密度后，才启动E酶的降解，实现对其代谢的动态调控，提高了生产效率。通过在酿酒酵母中表达拟南芥的细胞分裂素合成酶和细胞分裂素受体，并使细胞分裂素响应途径与酵母菌内源的Ypd1-Skn7信号转导途径结合，构建出群体密度感应系统，如图3所示。如何通过提高细胞分裂素浓度实现其信号的正反馈激活，请选择适宜的基因和启动子进行填空。
①___，②___，③___，基因A___，基因B____。
a. 持续表达下游基因的启动子
b. 能结合细胞分裂素的启动子
c. 含有SD的启动子
d. 细胞分裂素合成酶基因
e. 细胞分裂素受体基因
本情境中，细胞分裂素作为转基因后酵母菌能够合成的信号分子，随着菌体密度的增加，当胞外细胞分裂素浓度达到阈值时会进入胞内，利用酵母菌内源的Ypd1-Skn7信号转导途径促进目的基因GFP基因（未来会替换成E酶降解相关基因）的表达，即生产前期主要进行菌体数目的增加，后期启动法尼烯的生产。因此与光控系统相比，本系统利用群体感应系统实现了生长到生产环节调节的自动化，即依赖于群体密度增加导致的细胞分裂素浓度的增加。信号受体需要稳定存在，因此①处为a，基因A为e。而基因B为d，通过正反馈激活实现信号放大。
1.2.2 利用群体感应系统实现肿瘤细胞的持久杀伤
例4（2022年北京市等级考）：研究者以癌细胞表面蛋白C为靶点，构建了可感应群体密度而裂解的细菌菌株，拟用于制备治疗癌症的“智能炸弹”。研究者将引起细菌群体感应的信号分子A的合成酶基因、A受体基因及可使细菌裂解的L蛋白基因同时转入大肠杆菌，制成AL菌株。培养的AL菌密度变化如图4所示。其中，AL菌密度骤降的原因是：AL菌密度增加引起A积累至临界浓度并与受体结合_______。蛋白K能与蛋白C特异性结合并阻断其功能。研究者将K基因转入AL菌，制成ALK菌株，以期用于肿瘤治疗。
在本情境中，将“弹药”K填充进“弹壳”群体感应菌中制备“智能炸弹”，与生产特定产品的过程不同，该群体感应系统的目的基因是与菌体裂解相关的L蛋白基因。因此，AL菌密度的增加会启动L蛋白表达，并引起AL菌短时间内大量裂解从而释放蛋白K，最终实现肿瘤生长的靶向性抑制。与传统的药物治疗相比，“智能炸弹”的长期作用不依赖于人为给药，随着菌体数量的波动，蛋白K实现周期性释放。
1.2.3 通过分子间竞争结合机制实现血糖浓度的自动化调节
例5（2021年北京市等级考）：胰岛素是调节血糖的重要激素，研究者研制了一种“智能”胰岛素（IA）并对其展开了系列实验，以期用于糖尿病的治疗。GT是葡萄糖进入细胞的载体蛋白，IA（图5）中的X能够抑制GT的功能。为测试葡萄糖对IA与GT结合的影响，将足量的带荧光标记的IA加入红细胞膜悬液中处理30min，使IA与膜上的胰岛素受体、GT充分结合。之后，分别加入葡萄糖至不同的终质量浓度，10min后检测膜上的荧光强度。图5结果显示，随着葡萄糖质量浓度的升高_______。研究表明，葡萄糖质量浓度越高，IA与GT结合量越低。据上述信息，推断IA、葡萄糖、GT三者的关系为_______。
随着葡萄糖质量浓度增加，与细胞膜上GT结合的IA逐渐减少，因此葡萄糖会与IA竞争结合GT。结合结构示意图可知，竞争机制的基础是X与葡萄糖分子具有结构上的相似性。因此，IA是一个“智能负反馈”分子，血糖浓度过高时，IA从GT上分离并与胰岛素受体结合降血糖；当血糖恢复正常后，X转而结合并抑制GT，避免葡萄糖大量入胞导致血糖过低。因此，该系统通过浓度依赖的分子竞争结合系统实现了血糖的自动化调节，巧妙地解决了过量注射胰岛素会导致晕厥的弊端。
2 产品的使用效果
2.1 灵敏
工程学中的灵敏度一般指设备对微小外加作用的敏感程度。提高产品（如监测系统）的灵敏度，可在早期进行指标监测或生产控制，实现环境治理、疾病治疗、生产实践等过程的及时响应和调控，从而有效提高决策效率。因此高灵敏度成为了优化产品性能的重要方向。
2.1.1 通过分级调节放大信号增加监测系统的灵敏度
例6（2022年北京市等级考）：为监测E物质，研究者设计了图6所示的2种方案制备转基因斑马鱼，其中ERE和酵母来源的UAS是2种诱导型启动子，分别被E物质-受体复合物和酵母来源的Gal4蛋白特异性激活，启动下游基因表达。
与方案1相比，方案2的主要优势是_______，因而被用于制备监测鱼（MO）。
本情境是通过转基因技术获得监测环境中E物质污染的斑马鱼。方案1的思路是利用诱导型启动子ERE感知环境中的E物质，通过报告基因GFP响应；方案2采用Gal4基因整合ERE启动子作为一级响应系统，GFP基因整合UAS启动子作为二级响应系统，这种“分级调节”的方式可实现信号的放大，即相同浓度的E物质能够产生更加显著的响应信号，从而提高斑马鱼监测的灵敏度。
2.1.2 通过抑制本底表达降低背景信号提高传感系统的信噪比
例7（2023年北京市海淀区期末）：研究者制备出含乳酸传感器的试验性工程菌（图7），发现在无乳酸状态下GFP（绿色荧光蛋白）基因的表达量偏高，传感器灵敏度低。请提出改造重组质粒以提高灵敏度的2条措施________。
无乳酸时，负向诱导型启动子C的“泄漏表达”会导致传感系统灵敏度降低，其根本原因是GFP的背景表达过强，掩盖真实诱导表达的信号，导致真实信号无法被区分，即信噪比过小。针对该问题，可通过增加信号强度或降低背景噪声水平提高信噪比，如可采取2.1.1节中分级调节的方式实现信号放大。由于本情境方案中L蛋白二聚化后产生的阻遏蛋白会结合并抑制启动子C，因此可通过将启动子B更换为强启动子或增加L蛋白基因的拷贝数等方法充分抑制本底表达，从而使灵敏度提高。也可选择改造阻遏蛋白增强其与启动子C的结合，但该方法涉及蛋白的不定向突变及筛选，过程较为繁琐。直接修改启动子C或将其更换为弱启动子会导致乳酸丰富状态下的真实信号降低，因此该方法也不可取。
2.2 精准
精准一词多用于医药工程领域，该目标强调产品能够作出精准诊断，并在正确的时间，向患者的正确部位提供正确的药物，从而保证在有效降低不良反应风险的同时降低成本，保证良好的治疗效果。在精准的目标下，以利用工程菌对炎症性肠病（IBD）进行诊断和治疗为例，探讨产品的优化。
2.2.1 用特殊启动子增强工程菌的靶向性
例8（2023年北京市海淀区二模）：IBD是一种易导致结肠癌的慢性疾病，患者肠道内会产生硫代硫酸盐，且生成量与疾病严重程度正相关。为简化疾病诊断流程和精确用药，科研人员开发了智能工程菌。
科研人员将抗炎蛋白基因与硫代硫酸盐特异性诱导激活的启动子P连接，构建出图8所示的表达载体，转化并筛选得到菌株E。饲喂菌株E的IBD小鼠症状明显缓解。选用启动子P的优点是仅在IBD发生时才表达抗炎蛋白且_________，能精准治疗IBD。
在该题情境中，将抗炎蛋白基因与硫代硫酸盐特异性诱导型启动子整合制备工程菌，使抗炎蛋白基因仅在IBD发生时才会表达，且表达量与IBD程度正相关，从而在避免物质和能量浪费的同时确保治疗效果。
2.2.2 将组成型启动子与报告基因整合作为精准定量的内参
在肿瘤治疗过程中，除了增强靶向性，还要对疾病的严重程度进行精准定量分析和评估，从而在治疗方案中给出药物的合理剂量。
例9（2023年北京市海淀区二模）：科研人员拟向菌株E中导入新元件，得到菌株Ec，通过观察饲喂菌株Ec的小鼠粪便中的荧光情况来诊断IBD严重程度。制备新元件有图10所示2种方案。
1）与方案1相比，方案2的主要优势是排除不同的小鼠粪便样品中________对诊断结果的影响。
2）利用方案2所获得的Ec菌饲喂IBD小鼠后，若粪便样品中仅发红色荧光的菌为x个，同时发红色和绿色荧光的菌为y个，则反映IBD发病程度的数学表达式为________。
方案1中，绿色荧光强度既受到肠道内硫代硫酸盐含量的影响，又受到Ec菌本身数量的影响，因此可能会因为样本中菌体数量较多造成病情的误判。方案2加入了与红色荧光蛋白（RFP）基因整合的Pe持续性表达启动子表达系统，RFP基因的表达仅和Ec菌体的数目有关。因此RFP可被看作排除Ec菌数量差异的“内参”，IBD精确的发病程度，即单个菌中的绿色荧光可近似表达为y/(x+y)。
3 产品的长期影响：安全
当工程进入消费应用阶段，时常会受到来自社会各界的安全性检验和评价。在高中生物学中，涉及生物工程的安全问题包括生物入侵、基因污染等。通常可通过3种方式保证生产活动的安全性。
3.1 通过让生物的配子不育避免生物入侵
例10（本情境接例6）：现拟制备一种不育的监测鱼SM，用于实际监测。SM需经MO和另一亲本（X）杂交获得。欲获得X，需从以下选项中选择启动子和基因，构建表达载体并转入野生型斑马鱼受精卵，经培育后进行筛选。
1）启动子：①ERE，②UAS，③使基因仅在生殖细胞表达的启动子（P生），④使基因仅在肌细胞表达的启动子（P肌）。
2）基因：A.GFP；B.Gal4；C.雌激素受体基因（ER）；D.仅导致生殖细胞凋亡的基因（dg）。
3.2 整合菌体致死基因避免转基因污染
在发酵工程的应用中，对于改造的转基因微生物均采取灭菌处理，避免转基因逃逸导致的基因污染，但灭菌时的高温、高压条件会增加生产成本。例1中依赖于光敏蛋白的光控系统具有精准可控的特点，因此可将其在生产调节中的应用延伸至安全控制领域，同时导入诱导表达的致死基因以实现目标。
3.3 细胞质DNA转基因避免花粉污染
在受精过程中，精子的细胞质DNA通常留在合子外，合子的细胞质基因仅来自卵细胞。因此，将转基因成分导入线粒体或叶绿体基因组中能够显著降低外源基因通过花粉扩散的风险，为生物安全控制提供新策略。
总而言之，工程思维侧重以工程实践中的人类需求为导向设计方案，实施方案后需要从设计时的创新思维转向项目的可行性分析，即根据实践结果优化方案后再实施，多轮实施并优化后直到获得最佳的解决方案及产品。因此，在面对复杂情境时，教师需引导学生以题干中的“生产需求”为出发点，以“工程学设计的主要目标”为落脚点，鼓励学生像工程师一样评估不同工程方案在实践中的价值，批判性地分析工程中的困难和挑战（如可能带来的安全风险），既要考虑经济效益，又要权衡生态和社会效益，从而在提升学生多因素综合分析能力的同时注重社会责任感的实践导向。
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